Всё о звуке
Физические параметры звука
Стоит начать с того, что звук – это упругая волна которая распространяется в упругой среде создавая колебания механического типа. Как и у всех волн у звуковой волны есть несколько основных физических параметров, которые находятся в определённой зависимости друг от друга.
Первый из физических параметров звука, который следует рассмотреть это частота звуковых колебаний. Частоту звуковых колебаний принято обозначать в герцах.
Частота звука - это количество появлений волны за
единицу времени, то есть количество колебаний волны за секунду. Но
человеческое не может уловить звуки всего спектра частот, а лишь его
малую часть. Так человек не может уловить звуковые колебания частотой
ниже 20 Гц – называются инфразвуковыми, и колебания частотой выше 20 кГц – ультразвуковыми.
Но в отличая от людей многие из животных могут их слышать и даже
использовать для ориентации в пространстве. Такие колебания не слышимы
ухом человека, но они могут восприниматься всем телом и внутренними
органами, создавая ощущение тревоги и нервозности. Такие звуковые волны
могут создавать как органы животных, так и некоторые музыкальные
инструменты, такие как орган. Но ультразвуковые колебания создавались самыми высокими и толстыми трубками органа. И если говорить про животных то дельфины и касатки способны создавать ультразвуковые волны, которые помогают им охотится в мутной воде, в то время как почти все виды летучих мышей используют высокочастотные ультразвуковые волны для ориентации в темноте.
Второй физический параметр звуковой волны это длина звуковой волны. Поэтому нужно дать определение этому параметру.
Длина волны – это расстояние, находящееся между
ближайшими точками, которые колеблются в одной фазе. В физике длина
волны обозначается через символ лямбда (?). Соответственно
длина волны может, измеряется в метрах и сантиметрах. Как уже было
сказано частота, и длина любых волн связываются соотношением. И потому
чем больше частота колебаний, тем длина волны меньше.
Это видно по рисунку приведенному ниже
При большей частоте расстояние между синусоидами меньше, что и
показывает уменьшение длины волны. Если говорить про волны большой
длины, то в голову приходит только инфразвуковые волны.
Для волн такого типа пройти большое расстояние без значительной потери
энергии сущий пустяк. Примером таких волн есть низкочастотные колебания,
возникающие при извержении вулканов, движении литосферных плит, и
появлении цунами. Слабое рассеивание энергии таких звуковых волн
обусловлено малой частотой, соответственно, чем меньше частота, тем
меньше такой волне требуется энергии для преодоления сопротивления при
трении в пространстве, в котором она распространяется. Проще говоря, проникающая способность инфразвуковых волн очень высока из за длинной волны и малой частоты.
Третий немаловажный и заключительный физический параметр звука - это скорость звуковой волны.
Скорость звука – это скорость, с которой
распространяются упругие волны в среде. Это определение применимо как
для продольных волн, так и для поперечных. Скорость звука в
газообразных средах обычно постоянная величина для данного вещества, и
она не зависит ни от амплитуды волны, ни от частоты. В случаях, когда
всё же скорость зависит от частоты, тогда имеют в виду дисперсию звука.
Сама же скорость звука может зависеть от среды, в которой
распространяется звуковая волна. Это связано с расстоянием между
частицами в среде. Так в газах скорость меньше чем в жидкостях, но в
самих жидкостях соответственно скорость меньше чем в телах с твердой
кристаллической структурой. Вычисление скорости звука только
относительно, так как эти формулы применимы для идеальных газов,
жидкостей и твердых тел. Таким образом, скорость звука в воздушной среде
равна 331 м/с, а для водной среды эта цифра равна 1450 м/с, что
подтверждает зависимость от плотности среды распространения.
Таким образом, каждый из физических параметров звука зависит от другого, и от среды распространения.
Частота звука воспринимаемая человеком
Звук
как явление распространения упругой волны может восприниматься как всем
телом, так и органом слуха. Человек, как и большинство животных на
планете снабжен слуховым аппаратом, который способен улавливать
различать и анализировать получаемые сигналы в виде различных воздушных
вибраций называемых звуками. Но все ли из них человек способен услышать?
Человеческое ухо уступает по многим параметрам строения слуховым органам
других животных, так как его диапазон звуковых частот, в которых оно
способно услышать эти звуки, сильно ограничен. Считается, что человек способен улавливать звуковые колебания частотой
звука лежащей от 20 Гц до 20 КГц. Всё что лежит за пределами этого
диапазона человеческое ухо не может уловить. Но для разных людей эти
цифры разные хоть и варьируются вокруг одних и тех же чисел, это
обусловлено индивидуальным фактором каждого человека. Частота звука, которую человек может воспринимать
весьма гибкая и меняется в зависимости от возраста. Так в старости
человеку сложно улавливать звуки высоких частот, воспринимаемых
человеческим ухом. Само же человеческое ухо разбито на три секции:
наружное ухо, среднее ухо, внешнее ухо. Каждая из этих частей уха
способна улавливать звук, но распознание и передача колебаний происходит
благодаря внутреннему уху, в котором расположен слуховой аппарат,
который сокращается под действием давления воздуха, это барабанная
перепонка.
В природе и обыденной жизни нет звука состоящего из одной частоты, зачастую звук представлен из суперпозиций чистых звуков
(сумма звуков в общем потоке звука). Очень сложно создать чистый звук,
состоящий из одной частоты колебаний который будет называться чистым
тоном. По результатам экспериментов можно сказать, что когда колебания
совершаются реже 20 раз за секунду, то каждая волна слышится отдельно и
не может образовать непрерывный тон. Только с увеличением частоты
колебаний человек начинает слышать непрерывный тон, который чем то похож
на звук одной из самых низких труб органа, при дальнейшем повышении
частоты колебаний, вплоть до 1 КГц звук уже напоминает верхнее до как у
сопрано. Однако звук частотой колебаний в 1 КГц тоже далека от границы
слышимости человеком, лиши при приближении к границе в 20 КГц
человеческое ухо перестаёт слышать этот звук.
Чувствительность человеческого уха может быть разной в зависимости от частот,
особенно оно восприимчиво к средним частотам. При движении в сторону
понижения и повышения от средней частоты восприятия частот, восприятие
звука начинает падать. На границе же слышимости звук воспринимается,
если только его сила довольно велика. То есть звук должен быть большой
интенсивности. Собственно весь воспринимаемый диапазон частот зависит от
интенсивности звука. Так же важной проблемой является минимальная
заметная разница. Это минимальное значение частоты на которое нужно
изменить текущий звук для того чтобы слушатель заметил это. Эта цифра
составляет около 0,5% от текущего значения частоты, которая используется
и равна в среднем 1 – 1,2 КГц для звуков низкой частоты и эта цифра
несколько выше для высоких частот.
Говоря о диапазоне частот слышимых человеком можно сравнить его с
диапазоном других животных. У одних он немного шире у других наоборот
уже. Так у собак диапазон шире, что позволяет им воспринимать
ультразвуковые частоты ухом. Что отлично используется многими
владельцами собак, которые приучают своих питомцев к реакции на
ультразвуковой свисток, частота звука которого не слышима для людей но слышима для собак.
|
